熱式氣體質量流量計在氨氣和氯氣流量測量中的應用

 

引言

眾所周知, 自來水廠在制水過程中 ,為了使自來水的水質達到一定的要求 ,常常加入微量的氨氣和一定量的氯氣。顯然 ,這兩種氣體的流量的大小 ,將對自來水水質優劣產生較大的影響。過去自來水廠大多采用傳統的玻璃轉子流量計來測量這兩種氣體的流量 。由于轉子流量計只測量體積流量 ,而氨 、氯氣在供氣過程中 ,其工作壓力是不斷地變化的,顯而易見, 這種無溫度、壓力補償的流量測量, 其測量準確度是不高的。

 

如上所述, 利用無須溫度、壓力補償的PBF 型熱式氣體質量流量計(以下簡稱 PBF 型流量計),來測量氨、氯氣的質量流量 , 是合理的、先進的方案。特別是對氯氣流量的測量, 由于其腐蝕性強 ,使許多流量計望而生畏 ,但對 PBF 型流量計卻是輕而易舉的事。我們在上海某自來水廠, 使用了 3 臺 PBF 型流量計 ,測量氨氣流量 。使用了 4 臺PBF 型流量計(防腐型),測量氯氣流量。通過一年多的運行, 獲得了相當滿意的結果。

2 　 PBF 型流量計的結構及其工作原理

圖1 是 PBF 型流量計的結構及工作原理示意圖 。它利用流體(氣體)與固體(傳感探頭)之間的熱傳導原理,使氣體流量的變化, 以溫度變化的形式檢測出來, 再轉換成電信號 , 經放大線性處理后, 輸出與瞬時流量相對應的420mA 電流信號、3-1/2LCD瞬時流量顯示和六位 LCD 累積流量顯示。圖 1 中,流量計由傳感探頭和電子組件組成 。傳感探頭由兩個傳感器組成, 一個是流體速度傳感器 ,另一個是流體溫度傳感器。測量時, 傳感探頭插入流體中 ,感受流體的流速和溫度。它們同時是電子組件橋路的兩上橋臂,形成一個不平衡電橋 。通電時 ,橋臂電流將速度傳感器加熱到高于流體溫度 T 2 一個濕差ΔT 的 T 1 , 即 T 1 -T 2 =ΔT 。不平衡電橋就變成平衡電橋。此時電橋便輸出一個對應零流量的電壓, 經放大電路處理, 輸出流量計的下限信號 4mA ;瞬時流量顯示為 000;且累積流量無累積動作發生 ,累積顯示保持著原來的累積數字不變。當流體流經加熱的速度傳感器時, 根據熱傳導原理 ,將會帶走速度傳感器的一部分熱量, 使其溫度T 1 下降,而且流量越大, 帶走的熱量越多 ,其溫度 T 1下降也越大, 電橋又變成一個不平衡電橋。由于橋路的反饋控制作用, 總要回到平衡電橋狀態 。為此,電橋必須在速度傳感器上流過與流量大小成正比的電流, 使速度傳感器回到平衡狀態時的溫度 T 1 。這時橋路便輸出一個正比于流量大小的電壓信號 。經電路放大、線性化處理, 使輸出與流量成正比的 4-20mA之間的一個電流信號 、瞬時流量顯示為直到最大刻度流量的一個值 、累積動作將以與瞬時流量成正比的速度進行累積 。按上所述, 設速度傳感器的加熱功率為 P ,速度傳感器與流體的溫差為 T 1 -T 2 =ΔT , 流體的質量流速為ρV。根據 L .V .King 定理 ,即流體流經加熱的速度傳感器時所帶走的熱量 Q , 與對速度傳感器加熱到溫度T 1 的電功率 P 相等。得下列關系式:

式中,A,B 是取決于速度傳感器和流體性質的常數。ρ為標準狀態下流體的密度 。由于橋路的反饋控制作用 T 1 -T 2 =ΔT 為一恒定的常數。所以橋路的輸出(決定流量計輸出的量)與流體的質量流速ρV 成單值函數關系 。特別要指出的是, 由于速度傳感器的熱量是被流體中的分子所帶走的 , 所以速度傳感器測量的是流體的質量流速ρV。因此只要乘以流體管道的截面積S ,便可得到流體的質量流量Qm。即Qm=S ×ρV。

 

3　 氨氣和氯氣質量流量的測量

3.1 　 氨氣流量的測量

3.1 .1　 測量流程圖

圖2是自來水廠的供氨管路系統示意圖 。圖中FZ 1 和 FZ 2 是廠里原先采用過的轉子流量計的安裝位置, 其旁邊的 V 1 和 V 2 是測量氨氣工作壓力的真空壓力表 。氨氣是通過預先加滿液態氨的鋼瓶汽化后獲得 ,然后流經 PBF 型流量計, 測量其流量, 再加入半成品的自來水中去的 。氨氣在流動管道中是處于負壓狀態的, 在約為 Pa =6092kPa 的絕對壓力, 由于在輸氨氣過程中, 鋼瓶內的液態氨重量越來越輕,因此氨氣的工作絕對壓力, 也越來越接近大氣壓。也就是說 ,氨氣的工作壓力是不斷地發生變化的 ,于是氨氣的密度也是不斷地發生變化的。在這種流體工況不斷變化的情況下, 要測得準確的氨氣流量 ,必須測量其質量流量。我們認為這樣的流量測量方法才是一種合理的流量測量方法 。

3.2 　 氯氣流量的測量

3.2 .1　 氯氣流量測量的難度

雖然百分之百的干氯氣, 不存在腐蝕性的問題。但由鋼瓶中的液態氯獲得的氯氣卻并非是完全的干氯氣 , 因此自來水廠中的氯氣是一種相當強的腐蝕性的氣體 。其它一些流量計因結構上的原因, 無法勝任對氯氣的測量。據反映有的流量計僅使用了三個月左右, 就或被腐蝕掉 、或顯示誤差大得嚇人, 僅當參考流量而已 。而 PBF 型流量計由于結構上的特點,測量腐蝕性氣體, 卻是輕而易舉的事。圖 3 的結構可知 ,流量計只有傳感探頭保護罩部分接觸腐蝕性氣體 ,即使保護罩受到輕微的腐蝕也無害于罩內的傳感體的正常工作 , 更何況保護罩可根據具體氣體的腐蝕類型來選擇適合的防腐材料制造 。經過一年多的連續使用 ,最近我們拆下一臺流量計, 觀察處在氯氣中的傳感探頭 , 沒有發現它受到腐蝕的任何痕跡,依舊充滿著金屬的光澤。這充分證明了 PBF型流量計, 是適合用來測量各種腐蝕性氣體流量的流量計。

4　 結束語

由于加氨加氯量的準確度 , 對自來水質有很大影響 。筆者認為測量它們的質量流量比測量它們的重量流量更有實質性的意義 。而就我國自來水廠目前使用自動化儀表的現狀來說, 采用無須溫度 、壓力補償就能測量質量流量的 ;具有輸出電流信號 ,瞬時流量顯示和累積流量顯示功能的 ;一體化的 PBF 型熱式氣體質量流量計來測量氨、氯氣的質量流量 ,是合理的選擇。這一設計, 同樣適合于對其它腐蝕性氣體的流量測量 。

 

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